林可酰胺類抗生素（lincosamides）是一類臨床上重要的抗生素家族，其代表成員林可霉素（lincomycin）長期被用于治療革蘭氏陽性菌引起的感染。在前期研究中，劉文團隊發現林可霉素的生物合成是在兩個小分子硫醇（ergothionein, EGT和mycothiol, MSH）的相互配合且精確有序地指導下完成的（Nature, 2015, 518, 115-119）。這一發現不僅代表了EGT參與生化反應的首個范例，而且提供了一種MSH依賴的硫元素引入的新模式（圖1）。更重要的是，這一發現代表了洞悉小分子硫醇在生物體系中的內在功能方面所邁出的重要一步。因此，團隊受邀于BioEssays雜志對小分子硫醇的功能進行相關綜述和展望（Bioessays,2015, 37, 1262-7）。

圖1 小分子硫醇參與的林可酰胺類抗生素生物合成途徑

天然來源的林可酰胺類抗生素都是由鏈霉菌產生，主要包括林可霉素（lincomycin）及其結構類似物天青菌素（celesticetin）。但明顯不同的是，*終產物的結構中卻存在兩種不同的硫修飾基團：在林可霉素中是硫甲基，而在天青菌素中是巰基乙醇的兩碳單元（圖1）。圍繞林可酰胺類抗生素中不同硫修飾的形成機制，劉文團隊展開了一系列詳盡的體內（in vivo）及體外(in vitro)研究。他們發現：在天青菌素的后期生物合成途徑中，MSH來源的半胱氨酸結合物，在CcbF蛋白催化下發生特殊的氧化性脫羧反應生成醛式產物，隨后在O-甲基化酶Ccb4及還原酶Ccb5作用下生成*終的含兩碳單元的desalicetin；而在林可霉素的后期生物合成途徑中，也存在類似的半胱氨酸結合物中間體，其在LmbF蛋白催化下發生β裂解反應生成自由的巰基中間產物，隨后在LmbG催化下發生硫甲基化生成終產物林可霉素。這一對序列上高度同源但活性截然不同的PLP酶（CcbF和LmbF）決定了不同的半胱氨酸基團剪切方式，再在不同的后修飾酶的協同作用下，*終生成了林可霉素和天青菌素中不同的硫修飾結構（圖2）。在完全闡明兩種后期生物合成途徑后，他們采用體外組合生物合成的方式，對這兩種途徑中共同的半胱氨酸中間體分別進行不同的硫處理及后修飾，成功得到了一系列雜合的林可酰胺類抗生素（包括天然來源的 Bu-2545）。

圖2 林可酰胺類抗生素的不同硫修飾形成機制

以上研究發現不僅闡明了林可酰胺類抗生素結構差異的產生機制，也證實了PLP酶學反應的多樣性，及其在合成生物學中的應用。PLP依賴的酶是生物體內廣泛存在的一大類蛋白，參與多種重要的涉及氨基（酸）底物的代謝反應，如轉氨、脫羧、異構化、消除、Claisen縮合等。而在林可酰胺類抗生素生物合成體系中，CcbF和LmbF這兩種PLP依賴的酶雖然同一性高達40%（很可能源于共同的進化祖先），催化的底物結構也類似，但是催化的反應類型卻截然不同。后者催化的是較常見的β消除反應，而前者卻是一種罕見的氧氣依賴的酶，催化特殊的脫羧偶聯的氧化性脫氨反應。目前，我們熟知的PLP酶活性的多樣性都是來源于PLP穩定碳負離子的能力，而只有極少數PLP依賴的酶能活化氧氣發生氧化性反應。根據相關生化實驗結果及目前已知的氧氣活化機制，CcbF催化的反應很可能經歷單電子轉移生成過氧自由基負離子的過程。PLP蛋白的酶學活性及其催化機制的闡明必將使我們發現更多新穎的PLP相關的生化反應及生理功能。

上述成果主要由劉文課題組博士王敏、副研究員趙群飛等完成，獲得了國家自然科學基金委、科技部和中科院等相關項目的資助。